JP2013534606A - フラッシュオーバーバリアを発生させるための方法およびシール - Google Patents

Abstract

本発明は圧力波ジェネレータのためのシールに関し、シールは可動ピストン（３）をハウジングに対して封止し、流体シールの形にある。シールは２つの爆発チャンバ（６，１１）の間でフラッシュオーバーバリアとして働き、非爆発性、非発火性の流体からなる。本発明は点火バリアを発生させるための方法にも関し、非爆発性、非発火性の流体は可動ピストンとハウジング壁との間のシーリング領域に導入され、爆発材が充填されている２つの領域を互いに対して一時的に封止する。

Description

本発明は圧力波ジェネレータのためのシール、特にフラッシュオーバーバリアとして働く、爆発室における可動部のためのシールに関する。さらに、本発明はこのような装置用にフラッシュオーバーバリアを発生させるための方法に関する。

圧力波ジェネレータ、たとえばＷＯ ２００７／０２８２６４、特にＷＯ ２０１０／０２５５７４に記載されているような圧力波ジェネレータでは、補助爆発および主要爆発は、互いに分離されているチャンバで引起される。補助爆発は、直接的に、または他のロッキング機構を介して、主要爆発室の閉鎖を解くために用いられ、その結果後の主要爆発は閉鎖に対して大きな力で働くことはなく、それに対応して後者を損傷または破壊することはない。したがって、補助爆発と主要爆発との間には爆発の遅延がある。好ましくは、このような遅延は遅延ラインによって起こり、爆発が補助室から主要室に伝えられるか、２つのチャンバ内にある別個の点火装置により、２つのチャンバでの遅延点火によって起こる。

点火および爆発遅延の設計および実行、ならびに圧力波ジェネレータの例示的実施例および動作方法については、上記の２つの文献ＷＯ ２００７／０２８２６４およびＷＯ ２０１０／０２５５７４が参照される。

特に、ＷＯ ２０１０／０２５５７４の圧力波ジェネレータでは、補助爆発室および主要爆発室は、可動ピストンにより、互いに対して封鎖されている。さらに、ピストンは主要爆発室で発生した圧力波に対する排出開口を閉じる。爆発の点火がトリガされる直前に、圧力波の補助爆発室および主要爆発室または爆発ジェネレータは、典型的には正の圧力下で、爆発気体混合物で満たされている。ピストンとハウジングとの間に狭いギャップがあり、これはピストンに必要なクリアランスであり、完全になくすことはできない。このギャップも同様に爆発気体混合物で満たされる。しかし、爆発が直接ギャップから主要爆発室に伝えられてそこで早過ぎる主要爆発をトリガすること、すなわちピストンが補助爆発から十分に離れる前にトリガすること、は防止されなければならない。

ＷＯ ２０１０／０２５５７４に開示されている装置では、この目的のためにピストンはＯリングシールが設けられてもよい。このＯ−リングは非常に高い負荷を受ける。補助爆発室および主要爆発室のガス爆発により、１０００バーまでの非常に高い圧力および４０００℃の温度が発生する。さらに、ピストンは非常に速く動く。これら負荷が総合的にＯ−リングシールの寿命を減らす。

本発明が対処している課題は、Ｏリングシールの既存の不利点をなくすシールを提供することである。特に、本発明が対処している課題は、高い機械的および熱的負荷に耐えて、同時にフラッシュオーバーバリアとして働く、圧力波ジェネレータのためのシールを提供することである。

この課題は、独立クレームに記載されているシールおよびフラッシュオーバーバリアを発生させるための方法により、達成される。

圧力波ジェネレータのための改良されたシールは、流体シールの形にある。Ｏリングの代わりに、爆発しない、発火しない流体、たとえば非爆発性、非発火性の気体または非爆発性、非発火性の液体が用いられる。このような流体は、たとえば窒素、酸素、天然ガス、空気または水であり得る。好ましくは、圧力波ジェネレータで既に用いられている流体が用いられる。

流体は、供給ラインにより、好ましくはハウジングの穴により、ピストンのシーリング領域に送られ、ピストンとハウジングとの間で圧縮される。さらに、流体は、互いにピストンによって分離されている領域における一方または両方の領域にある流体の爆発気体混合物に対応する圧力で加圧され得る。

ピストンには１つ以上の好ましくは環状の溝がシーリング領域に設けられてもよい。溝で、流体はピストンの全外周にわたり、できるだけ遠くに運ばれる。さらに、溝をシーリング領域におけるハウジングに導入することもできる。１つ以上の溝により、バリア流体の量は、一方の領域から他方の領域への爆発の伝搬が、非常に高い圧力でも、確実に防止できるような態様で、増加させることができる。さらに、複数の溝はラビリンスシールと同様に働き、爆発圧力はフローの抵抗により各溝上で圧力が失われ、その結果流れも時間的遅延を受ける。

適切な点火装置、たとえばスパークプラグまたはグロープラグによって、ある領域、典型的には耐圧室で爆発が引起され、さらに遅延ラインまたはさらなる点火装置および遅延回路により、遅延の後他方の領域でトリガされると、流体シールはこの期間フラッシュオーバーバリアとして働く。流体がフラッシュオーバーを防止しなければならない典型的な期間は、１ミリ秒より短い期間から数ミリ秒の領域、典型的には０．２から２ｍｓ、たとえば０．５から０．８ｍｓの領域である。

圧力波ジェネレータの好ましい動作において、ピストンによって互いに分離されている２つのチャンバは、流体爆発材で満たされている。非爆発性、非発火性の流体が、チャンバ壁の供給穴を介して、ピストンとチャンバ壁との間の、ピストンのシーリング領域内に導入される。同時に、正圧が好ましくは２つのチャンバに与えられ、圧力はほぼ同じまたはやや高い圧力に加圧され、その結果流体は爆発材をギャップから出す。流体を「少量ずつ」または一定の流量となるよう、流体を送り込むことができる。後者の場合により、流体シールが常に直立したままであることを確実にし、これは一方または他方のシーリング領域での正圧が優勢であった場合でも、真っ直ぐ直立したままとなる。

流体はピストンとハウジング壁との間のギャップおよび／または存在する溝内に流通させる。一方のチャンバで爆発が引起され、遅延の後、他方のチャンバでの爆発が引起される。反復的なプロセスでは、上記の工程は対応して繰返される。

フラッシュオーバーバリアをもたらすために、好ましくはガスが用いられる。ガスはシーリング領域において迅速に流通するという利点がある。無機ガス、たとえば窒素または酸素ガスが用いられると、可燃ガスと比べて煤煙が起こらないというさらなる利点がある。液体、たとえば水を用いることもできる。

本発明の例示的実施例は概略図に示される。

環状溝に流体シールを有する圧力波ジェネレータを示す図である。 溝がない、流体シールを有する圧力波ジェネレータを示す図である。

図１は、爆発ジェネレータを示し、耐圧容器１および容器内に配置される排出開口２を含む。容器内で移動するように配置されるピストン３は、排出開口を閉鎖し、閉じたままに保つよう弁として用いられる。ピストンの後ろ端部４の直径は大きくなっており、シールを有するので、後ろ端部は好ましくは容器の内側壁上に摺動して完全に気密状態をもたらす。耐圧容器は、後ろ領域において、第１のチャンバを有し、第１のチャンバはピストンの後ろ端部によって２つの部分的チャンバに分けられる。一方の部分的チャンバはガス−スプリングチャンバ５であり、他方は補助爆発チャンバ６である。ガス−スプリングチャンバ５は気体、たとえば空気、窒素、ＣＯ₂などで充填され、この気体がガスを充填するためのガス充填開口７を介してガス−スプリングチャンバ５内に送られる。

ガス−スプリングチャンバ内の気体の圧力または閉鎖圧力により、ピストン３の最も前の端部、すなわち弁が、排出開口において弁シート８に対して押さえ付けられる。この閉鎖圧力は非常に高いので、ピストンを閉鎖位置に案内してそこに保持し、補助爆発チャンバの充填圧力にも耐え、排出開口を確実に閉鎖する。

主要爆発チャンバ１１は、供給ライン９を介して、爆発混合物、たとえば酸素およびエタンで満たされる。爆発混合物による補助爆発チャンバ６での充填は、点火線としても用いられる遅延ライン２２を介して行なわれる。これに対応して、主要爆発および補助爆発のための爆発材は好ましくは同じである。しかし、チャンバに対して異なる供給口がある場合、または１つの供給口を主要爆発チャンバにだけ接続し、対応して遅延ライン２２を介して補助爆発チャンバを充填することにより、他の混合物を用いることもできる。

補助爆発チャンバの補助爆発は、たとえばスパークプラグもしくはグロープラグのような点火装置１０によって、または装置内の案内される強力なレーザビームによって、引起される。補助爆発チャンバ６の爆発混合物の点火により発生する高い圧力により、ピストンはガススプリングの力に抗して後ろ方向に押されて動く。排出開口２は、ピストンの後方の移動により、開く。

主要爆発チャンバ１１は、耐圧容器の最も前の部分に配置される。本実施例において、これはピストンに対して垂直に配置され、一方が閉じている２つの横管からなる。

２つの爆発チャンバが充填されると、爆発混合物として用いられる物質は、できるだけ可能な化学量論比まで、１つずつ注ぎ入れることができる。良好な混合を得るためには、まず個々の物質を正しい比率で別個の加圧された容器に同じ圧力で注ぎ入れ、これら物質を加圧容器から爆発チャンバに送ることができる。

補助爆発チャンバと主要爆発チャンバとの間のシーリング領域において、ピストンは溝１２および供給ライン１６を含み、これはシーリング領域に導かれ、さらにチャンバ壁に通路を有する。技術的理由により、溝は好ましくは簡単なノッチとして形成される。非爆発性非発火性のガスは、供給ライン１６を介して溝内に導入される。ガスの圧力は、爆発チャンバの圧力以上であり、それによりチャンバ間およびシーリング領域を通るガスの入れ替えがなくなる。

例示的実施例において、１５から５０バーの範囲の充填圧力が用いられた。流体の導入は、爆発混合物が充填され点火されるまでの間、好ましくは点火のすぐ前に行なわれた。流体はシーリング領域の充填圧力に対して、１から５バーの正圧で導入された。

図２に示されるように、溝がない流体シールを設計することも可能である。この実施例では、供給ライン１６′は同様にシーリング領域に達する。爆発のために用いられる爆発混合物の２つのガス成分のうちの一方、たとえば酸素は、バリア流体として用いられる。シールのための供給ラインは共通のガス供給に接続できる。

補助爆発と主要爆発との間の爆発の遅延は、遅延ライン２２によって行なわれる。遅延ライン２２または発火線により、補助爆発チャンバ６からの爆発は主要爆発チャンバ１１に伝えられる。遅延期間は、ラインの長さおよび爆発の速度によって定められ、主要爆発チャンバには別の点火装置は必要ない。示される例では、主要爆発チャンバは供給ライン９を有し、補助爆発チャンバ６は遅延ラインを介して充填される。この充填方法を用いて、補助爆発チャンバおよび主要爆発チャンバには同じ充填圧力が与えられる。

好ましい実施例において、２つの爆発の間の時間的遅れは、数ミリ秒の領域、好ましくは０．２から１０ｍｓ、たとえば０．５から２ｍｓの領域にある。

シールは、爆発チャンバが充填される前、充填された後、または充填と同時に充填できる。シールにバリアガスが続けて供給されないのなら、これはチャンバが充填されるのと同時に、または後で行なわれる。これにより、爆発が引起される少し前に、かつ領域内に侵入した爆発ガスがあれば、それを完全に送り出してから、シーリング領域が完全にバリアガスで充填されることを確実にする。

２つの点火装置が用いられる場合、これらはスパークプラグやレーザ点火のような「迅速に作動する」装置である。なぜなら、両方の点火は正確にある時点で起こらなければならないからである。本発明に従う複数の装置が協調される場合でも、このような迅速に作動する点火装置が好ましい。並列に接続される複数の装置を用いることにより、互いを高める効果が起こって利用することができる。たとえば、複数のジェネレータでの複数の爆発を同時引起こすことにより工業用ボイラーをクリーニングするために、圧力波またはインパルスを蓄積させてもよく、その結果清浄効果が高められるか、または代替的に、清浄装置の数を減らすことができる。

しかし、好ましくは補助爆発チャンバには１つの発火装置および遅延ラインのみが用いられる。これは、熱するのに数秒、約３秒必要となる多少「遅く作動する」グロープラグであり得る。レーザによる点火装置、すなわちレーザ点火も可能である。この場合、レーザビームは耐圧容器に結合される。レーザビームはこの場合ガスを直接点火させる、または容器の表面の特定の地点を加熱させ、そこで容器内にある爆発ガスが点火される。この目的のために、耐圧容器は対応するレーザ波長を通す窓を有する。この装置の利点は、摩耗したり、爆発によって汚れたり損傷を受ける点火要素がチャンバ内にないことである。さらに、耐圧容器内に電気的供給口を設ける必要はない。レーザビームは非常に高いエネルギ密度で集光させることができ、非常に精密であり、時間の面で正確に調整することができ、他の点火装置では不利であり得る表面の不純物を利用することさえも可能である。

ピストン上に働く力、または一般に閉鎖手段に働く力、および特に圧力波が逃げる場合に、ピストン排出開口の領域に発生する熱は、非常に高い。補助爆発により、ピストンは実際の爆発よりも既に排出開口の領域から後ろに押されているので、これらから免れる。しかし、同時に、発生した圧力波は妨げられることなく、かつ減衰することなく、装置から出力可能である。

ガス−スプリングチャンバのガスは、逆戻りピストンによって圧縮され続ける。その結果、一方では、爆発に起因してピストンが減衰されることなく加圧容器の後ろ方向の壁に当たることが防止され、他方では実際の爆発が終わるとすぐに、排出開口の封止位置である開始位置にピストンがその後戻される。こうして、装置は爆発の後、自動的に開始位置に戻され、爆発を発生させるための方法は、チャンバの充填によって再度開始できる。フラッシュオーバーバリアとして働く本発明のシールにより、不所望の早期の主要爆発を防止することも可能である。

本発明に係るシールは、爆発ジェネレータで使用するために、詳細に説明されている。このようなシールは、フラッシュオーバーバリアが必要または有利である他の装置にも用いることができる。

Claims (14)

1. 圧力波ジェネレータのためのシールであって、チャンバが組込まれている耐圧容器（１）と、２つのチャンバに流体爆発材を供給するための供給部とを備え、２つのチャンバは可動ピストン（３）によって互いに分離され、容器壁に対するピストンの封鎖は、流体シールおよびフラッシュオーバーバリアの形にある、シール。
2. 非爆発性、非発火性の流体、たとえば非爆発性、非発火性の気体またはたとえば水である非爆発性の液体を有する、請求項１に記載のシール。
3. 非爆発性、非発火性の気体は、窒素、酸素、天然ガスまたは空気である、請求項２に記載のシール。
4. 非爆発性、非発火性の流体をシーリング領域に供給するための供給ライン（１６）を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のシール。
5. ピストン（３）またはシーリング領域のハウジングには、溝（１２）が設けられる、請求項１から４のいずれか１項に記載のシール。
6. 溝（１２）は環状である、請求項５に記載のシール。
7. 非爆発性、非発火性の流体は、少なくとも一方のチャンバの流体爆発材の圧力に対応する圧力で加圧される、請求項１から６のいずれか１項に記載のシール。
8. 一方のチャンバに点火装置（１０）を有して、この一方のチャンバ内に爆発をトリガし、他方のチャンバに爆発を伝えるための遅延ライン（２２）を有する、または他方のチャンバに遅延回路を有し、他方のチャンバに配置されるさらなる点火装置を介して、他方のチャンバにおいて第１の爆発に対して遅延された爆発をトリガし、流体シールは、少なくとも遅延の間、一方のチャンバから他方のチャンバへのフラッシュオーバーバリアとして働く、請求項１から７のいずれか１項に記載のシール。
9. 圧力波ジェネレータにおいてフラッシュオーバーバリアを発生させるための方法であって、圧力波ジェネレータは、流体爆発材を含む２つの領域と、２つの領域を互いに対して封止する可動ピストン（３）とを含み、ピストンと爆発材を含む２つの領域との間のシーリング領域は、非爆発性、非発火性の流体によって封止される、方法。
10. 流体はシーリング領域に供給されて加圧される、請求項９に記載の方法。
11. 流体の加圧は、少なくとも一方の領域における流体爆発材の加圧に実質的に対応する、請求項１０に記載の方法。
12. 流体はピストン（３）の環状溝（１２）に導入される、請求項９から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 流体は別個の供給ライン（１６）を介して供給される、請求項９から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. ａ） 両方の領域を流体爆発材で充填するステップと、
    ｂ） 非爆発性、非発火性の流体をシーリング領域に注入するステップと、
    ｃ） 一方の領域の爆発材を点火するステップと、
    ｄ） 遅延の後、他方の領域の爆発材を点火させるステップとを備え、
    必要ならステップａ）からｄ）を繰返す、請求項９から１３のいずれか１項に記載の方法。

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